KR102167134B1 - 능동 박막 평판형 광 편향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동 박막 평판형 광 편향장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 광 편향장치는, 선편광 빛을 제1 원편광 및 제2 원편광 중 어느 한 편광 상태로 바꾸는 능동형 사반파장 지연판; 그리고 제1 프리즘 패턴 및 제2 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환 셀을 포함한다.

Description

능동 박막 평판형 광 편향장치 {Dynamic Thin Flat Type Light-Beam Deflector}

본 발명은 능동 박막 평판형 광 편향장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 디지털 홀로그램 영상을 복원/재생하는 3차원 영상 장치나 시야 범위 조절 표시장치 등에서 시청자 위치에 따라 영상 초점을 시청자의 시야에 맞추기 위한 아이-트랙킹(Eye Tracking)에 응용하는 능동 박막 평판형 광 편향장치에 관한 것이다.

최근 3차원 (3D: Three Dimension) 영상과 영상 재생 기술에 대한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 3차원 영상 관련 미디어는 시각 정보의 수준을 한 차원 더 높여주는 새로운 개념의 실감 영상 미디어로서 차세대 영상장치를 주도할 것으로 예상된다. 기존의 2차원 영상 시스템은 평면 영상을 제공하지만 3차원 영상 시스템은 물체가 가지고 있는 실제 이미지 정보를 관찰자에게 보여주는 관점에서 궁극적인 영상 구현 기술이라고 할 수 있다.

3차원 입체 영상을 재생하기 위한 방법으로는 크게, 안경방식(stereoscopy), 무안경 방식(Auto-stereoscopy), 체적형 방식(Volumetric), 홀로그래피 (holography) 및 집적영상 (integral imaging) 등의 방법들이 연구 개발되고 있다. 이 중에서 홀로그래피 방식은 레이저를 이용하여 제작한 홀로그래피를 관측시 특수 안경을 장착하지 않고도 실물과 가장 유사하게 입체감을 느낄 수 있는 방식이다. 따라서, 홀로그래피 방식은 입체감이 뛰어나며 단안으로도 입체감을 느낄 수 있는 특징이 있어, 관측자가 피로감 없이 입체 영상을 느낄 수 있는 가장 이상적인 방식으로 알려져 있다.

홀로그래피 방식은 물체에서 반사된 빛(물체파)과 간섭성이 있는 빛(기준파)을 겹쳐서 얻어지는 간섭신호를 기록하고 이를 재생하는 원리를 이용하는 것이다. 가간섭성이 높은 레이저 광을 사용하여 물체에 부딪쳐 산란되는 물체파를 또 다른 방향에서 입사된 기준파와 만나게 하여 형성된 간섭 무늬를 산진 필름에 기록한다. 물체파와 기준파가 만날 때, 간섭에 의한 간섭 무늬를 형성하는데, 이 간섭 무늬에 물체의 진폭과 위상 정보가 함께 기록된다. 이렇게 기록된 간섭 무늬에 참조광을 조사하여 홀로그램에 기록된 간섭 정보를 복원해 3차원적인 입체감을 느끼게 해준다. 이러한 기록 및 복원 원리를 사용해 3차원 영상을 구현하는 일련의 과정을 홀로그래피라고 한다.

홀로그램을 저장, 전송 및 영상처리를 위해 컴퓨터에 의해 생성하는 방법으로서, 컴퓨터 생성 홀로그램(CGH: Computer Generated Hologram)이 개발되었다. 이 컴퓨터 생성 홀로그램은 지금까지 다양한 방법으로 개발되고 있는데, 근래에는 디지털 산업의 발달에 의해 정지 영상의 컴퓨터 생성 홀로그램에 머무르지 않고 동영상의 컴퓨터 생성 홀로그램을 표시하기 위한 시스템이 개발되고 있다.

컴퓨터 생성 홀로그램은 컴퓨터를 이용하여 직접 홀로그램에 저장되는 간섭무늬를 만드는 것으로. 간섭 무늬 이미지를 컴퓨터로 계산하여 생성한 후, 액정 - 공간 광 변조기(LC-SLM: Liquid Crystal - Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기에 전송하고, 이 SLM에 참조광을 조사하여 입체 영상을 복원/재생한다. 도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 컴퓨터(10)에서 구현하고자 하는 입체 영상에 해당하는 간섭 무늬 이미지를 생성한다. 생성된 간섭 무늬는 SLM(20)으로 전송된다. SLM(20)은 투과형 액정표시패널로 형성하여 간섭 무늬를 표시할 수 있다. SLM(20)의 일측면에는 참조광으로 사용할 레이저 광원(30)이 위치해 있다. 레이저 광원(30)에서 조사되는 참조광(90)을 SLM(20)의 전면에 고르게 투사하기 위해서 확장기(40)와 렌즈(50)가 순차적으로 배치된다. 레이저 광원(30)에서 출사된 참조광(90)은, 확장기(40)와 렌즈(50)를 거쳐 SLM(20)의 일측면에 조사된다. SLM(20)이 투과형 액정표시 패널인 경우, SLM(20)의 타측면에는 SLM(20)에 구현된 홀로그램의 간섭 무늬에 의해 3차원 입체 영상(80)이 표시된다.

도 1에 의한 홀로그램 방식에 의한 3차원 영상 장치는 무안경 방식의 입체 영상 표시장치이다. 무안경 방식의 입체 영상 표시장치의 경우, 관람자의 시야 내에서 입체 영상의 초점을 맞추어야 올바른 입체 영상을 감상할 수 있다. 특히, 홀로그램 방식에 의한 3차원 입체 영상은 표시장치와 관람자 사이의 공간상에서 관람자가 관측할 수 있는 위치에 영상이 형성된다. 따라서, 관람자가 위치를 이동할 경우 관람자의 관측 초점을 따라 홀로그램 영상의 초점 위치가 평행 이동하도록 조절해 줄 필요가 있다.

지금까지 다양한 방식의 광 편향장치들이 제안되었다. 대표적으로 홀로그래피 방식에 의한 광 편향장치나, 위상 마스크 방식에 의한 광 편향장치가 제안된바 있다. 그러나, 이들 광 편향장치들은 고정된 편향 각도만을 가지고 있기 때문에 관람자의 이동 위치에 따라 능동적으로 빛을 편향시키지 못한다.

한편, 액정의 굴절율 차이를 이용한 광 편광장치가 제안된 바 있다. 예를 들어, 미국 특허 US 3,843,231 및 US 4,850,682 등이 있다. 이들은, 어느 정도 편향 각도의 범위를 조절할 수 있으나, 구조적인 한계로 인해 편향 각도 범위가 극히 제한적이다. 특히, TV와 같은 대형 표시 장치에서 관람자가 좌측에서 우측으로 상당 거리를 이동하는 경우, 큰 각도 범위에서 빛을 편향시키지는 못한다. 그러나, US 3,843,231의 경우 거의 고정된 편향 각도만을 가지므로 능동적으로 빛을 편향시키지 못한다. 더욱이, US 4,850,682의 경우, 기판의 표면을 정밀 가공해야 하는 제조 공정 및 비용상의 문제점도 있다.

따라서, 무안경 방식의 3차원 영상 표시장치에서 올바른 입체 영상을 제공하기 위해 관람자의 위치 변경을 추적하여 영상의 초점 위치를 평행 방향으로 편향 시켜줄 광 편향기가 필요하다. 특히, 박막형 입체 영상 장치에서도 효과적으로 적용할 수 있는 능동형이며 박막 평판형인 광 편향기가 필요하다.

이하, 액정 표시 패널을 이용한 광 편향장치에 대해 설명한다. 도 2는 종래 기술에 의한 액정 표시 패널을 이용한 광 편향장치의 일례로, 무안경 방식의 입체 영상 표시장치에 응용한 예를 나타내는 사시도이다. 도 2에서 예시하는 바처럼, 종래 기술에 의한 홀로그램 영상 시스템은 홀로그램 표시패널(100), 제1 및 제2 광경로 변환셀(300a, 300b)을 포함하는 광경로 변환셀(300), 표시패널 구동부(500), 광경로 변환셀 구동부(600), 제어부(800) 및 감지 카메라(900)를 포함한다.

홀로그램 표시패널(100)은 도 1에서 상술한 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 홀로그램 표시패널(100)은 투과형 LCD(Liquid Crystal Display)로 구성될 수 있다. 이 홀로그램 표시패널(100)은 간섭무늬 패턴을 입력받아 디스플레이하며, 이에 따라 레이저 광원에서 조사된 빛이 홀로그램 표시패널(100)을 투과하면서, 홀로그램 영상이 표시패널(100)의 타측 방향에 표시될 수 있다.

제1 광경로 변환셀(300a)은 빛이 진행하는 방향을 기준(도면의 +z축 방향)으로 표시패널(100) 앞에 배치된다. 이 제1 광경로 변환셀(300a)은 표시패널(100)로부터 입사되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수평한 방향(도면의 x축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해서 위쪽 방향(+φ), 또는 아래쪽 방향(-φ)(도면의 y축 방향 기준)으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(400)은 제1 광경로 변환셀(300a)에 의해 상/하 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.

제1 광경로 변환셀(300a) 앞에는 제2 광경로 변환셀(300b)이 더 위치한다. 이 제2 광경로 변환셀(300b)은 제1 광경로 변환셀(300a)에서 공급되는 빛을 그대로 통과시키거나, 수직한 방향(도면의 y축 방향)으로 프리즘 패턴을 형성해 왼쪽 방향(-θ) 또는 오른쪽 방향(+θ)(도면의 x축 방향 기준)으로 빛을 굴절시킨다. 따라서, 홀로그램 영상(400)은 제2 광경로 변환셀(300b)에 의해 가로축(x축) 방향, 즉 좌/우 방향으로 그 생성 위치가 조정될 수가 있다.

표시패널 구동부(500)는 게이트 구동부와 데이터 구동부를 포함한다. 데이터 구동부는 제어부(800)로부터 홀로그램 데이터(DATA)를 입력받고, 감마전압 발생회로(미도시)로부터 공급되는 정극성/부극성 감마보상전압을 이용하여 홀로그램 데이터(DATA)를 정극성/부극성 아날로그 데이터 전압으로 변환한다. 데이터 구동부는 정극성/부극성 아날로그 데이터전압을 표시패널(100)의 데이터 라인들에 공급한다. 게이트 구동부는 제어부(800)의 제어 하에 데이터 전압에 동기되는 게이트 펄스(또는 스캔 펄스)를 표시패널(100)의 게이트 라인들에 순차적으로 공급한다.

광경로 변환셀 구동부(600)는 광경로 변환셀(300)을 구동하기 위한 구동전압을 제1 광경로 변환셀(300a)과 제2 광경로 변환셀(300b)에 각각 공급한다. 이 구동전압은 광경로 변환셀에서 형성되는 프리즘 패턴들의 기울기 값을 조정해서 사용자의 위치에 맞춰 홀로그램 영상(40)을 표시할 수 있다. 이 구동전압은 액정 셀을 이루는 액정분자의 배열 방향을 선형적으로 조절하기 위해서, 선형적으로 감소하거나 증가하는 전압들의 집합들로 이뤄질 수 있다.

제어부(800)는 표시패널 구동부(500)를 제어하여 표시패널(100)을 구동한다. 제어부(800)는 게이트 구동부 제어신호(GCS)를 게이트 구동부로 공급하고, 홀로그램 데이터(DATA)와 데이터 구동부 제어신호(DCS)를 데이터 구동부로 공급한다. 게이트 구동부 제어신호(GCS)는 게이트 스타트 펄스(Gate Start Pulse), 게이트 쉬프트 클럭(Gate Shift Clock), 및 게이트 출력 인에이블 신호(Gate Output Enable) 등을 포함할 수 있다. 데이터 구동부 제어신호(DCS)는 소스 스타트 펄스(Source Start Pulse), 소스 샘플링 클럭(Source Sampling Clock), 소스 출력 인에이블 신호(Source Output Enable), 극성제어신호(POL) 등을 포함할 수 있다.

감지 카메라(900)는 사용자의 이미지를 촬영하여 촬영된 이미지를 제어부(800)로 전송한다. 제어부(800)는 촬영된 이미지를 분석하여 사용자가 위치한 좌표를 산출한다. 제어부(800)는 산출된 사용자의 위치 좌표와 기준점을 비교하여 사용자가 기준점 대비 좌/우 및 상/하 방향으로 얼마만큼 이동했는지를 판단한다. 제어부(800)는 이 위치 정보에 근거해서 광경로 변환셀 구동부(600)를 제어하여 제1 광경로 변환셀(300a)과 제2 광경로 변환셀(300b)에 각각 소정 기울기 값을 갖는 프리즘 패턴에 형성될 수 있도록 구동 전압을 공급한다.

이와 같은 액정 표시 패널을 이용한 광 편향기에서 형성된 프리즘 패턴은 관람자의 위치가 변하지 않는 한, 동일한 패턴을 유지한다. 즉, 액정 분자들이 동일한 상태를 장기간 유지한 상태를 갖는다. 이는 액정 분자들에 인가되는 전압이 장시간동안 동일한 값으로 유지된다는 것을 의미한다. 액정 분자가 동일한 전압 차를 계속 받으면서, 동일한 상태를 장시간 유지할 경우, 액정 분자가 열화될 가능성이 높다. 즉, 광 편향장치의 성능이 저하되기 쉽고, 수명이 단축될 수 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하기 위해 고안된 것으로, 액정 셀에 매 프레임마다 서로 다른 전압을 인가하여, 액정 분자들이 받는 스트레스를 최소화한 박막형 광 편향장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은, 액정 셀에 인가되는 전압의 절대값은 동일하되 방향을 바꾸어 전체 평균 전압 값이 항상 제로가 되도록 유지함으로써, 액정 분자들의 열화를 방지하는 박막형 광 편향장치를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 의한 광 편향장치는, 선편광 빛을 제1 원편광 및 제2 원편광 중 어느 한 편광 상태로 바꾸는 능동형 사반파장 지연판; 그리고 제1 프리즘 패턴 및 제2 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환 셀을 포함한다.

상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하고; 상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 원편광은 좌원 편광이고, 상기 제2 원편광은 우원 편광이며, 상기 제1 프리즘 패턴은 상기 좌원 편광된 빛을 굴절 각도 θ만큼 수평 방향으로 편향하고; 상기 제2 프리즘 패턴은 상기 우원 편광된 빛을 상기 굴절 각도 θ만큼 상기 수평 방향으로 편향하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 광경로 변환 셀은 HAN 모드 액정 분자를 포함하며, 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하는 전압은, 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하는 전압과 절대값은 동일하되, 부호가 반대인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 광 편향장치는, 제3 프리즘 패턴 및 제4 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환 셀을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제3 프리즘 패턴을 형성하고; 상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제4 프리즘 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 원편광은 좌원 편광이고, 상기 제2 원편광은 우원 편광이며, 상기 제3 프리즘 패턴은 상기 좌원 편광된 빛을 굴절 각도 φ만큼 수직 방향으로 편향하고; 상기 제2 프리즘 패턴은 상기 우원 편광된 빛을 상기 굴절 각도 φ만큼 상기 수직 방향으로 편향하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 광경로 변환 셀은 HAN 모드 액정 분자를 포함하며, 상기 제3 프리즘 패턴을 형성하는 전압은, 상기 제4 프리즘 패턴을 형성하는 전압과 절대값은 동일하되, 부호가 반대인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 광 편향장치는, 광경로 변환 셀에 인가되는 전압을 매 프레임마다 변화한다. 따라서, 액정 분자들이 받는 전압 스트레스를 중화하여 액정 분자들이 열화되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 액정 분자들에 인가되는 전압을 바꿈으로서 발생하는 굴절 방향의 변화를 보상하기 위해 능동형 사반파장 지연판을 적용하여, 모든 프레임에서 동일한 방향으로 빛을 편향할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 컴퓨터 생성 홀로그램 방식을 구현한 디지털 홀로그램 영상 재생 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 종래 기술에 의한 액정 표시 패널을 이용한 광 편향장치의 일례로, 무안경 방식의 입체 영상 표시장치에 응용한 예를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치의 구동 방식을 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치의 구동 방식을 나타내는 개략도.
도 5는 도 4에 의한 구동 방식에 의해, 박막 평판형 광 편향장치에 구현되는 프리즘 패턴의 형상 및 빛의 진행 방향을 나타내는 개략도.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치를 응용한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치의 일례를 나타내는 사시도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것일 수 있는 것으로서, 실제 제품의 부품 명칭과는 상이할 수 있다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치의 구동 방식을 나타내는 개략도이다. 제1 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치의 기본 구조는 종래 기술에 의한 것과 거의 동일하다. 차이가 있다면, 액정 표시 패널에서 프리즘 패턴을 구현하는 방식에 차이가 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 프리즘 패턴을 형성하는 방식을 중점으로 설명한다.

액정 표시 패널을 이용한 박막 평판형 광 편향장치는 액정의 굴절율 차이를 이용하여, 프리즘과 동일한 작동을 하는 패턴(일명, 프리즘 패턴)을 만드는 광경로 변환 셀(300)을 포함한다. 앞에서도 설명했듯이, 표시장치를 사용하는 사용자가 거의 동일한 위치에 있고, 위치가 자주 바뀌지는 않는다. 따라서, 프리즘 패턴이 크게 변화하지 않는다. 즉, 광경로 변환 셀(300)에서 대부분의 액정 분자들은 거의 동일한 자세를 장시간 유지하는 경우가 많다. 이로 인해, 액정 분자가 열화 될 수 있다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 제1 실시 예에 의한 광 편향장치에서는, 프리즘 패턴의 광 편향 각도는 그대로 유지한 채, 프리즘 패턴이 일방향으로 스캐닝되도록 하는 방식을 이용하여, 액정 분자가 계속 그 자세를 바꾸도록 구동하는 광경로 변환 셀(300)을 포함하는 것이 바람직하다. 도 3을 참조하여 더 상세히 설명한다.

예를 들어, 프리즘 패턴이 광경로 변환 셀(300)의 연속하는 5개 화소(혹은, 액정 셀)들에 의해 정의된다고 가정한다. 이때, 제1 프레임에서는 도 3의 <Frame 1>과 같이 화소들의 액정 분자들이 배열되어 있을 수 있다. 화소의 배열 아래에 도시한 그래프는 액정 분자 배열에 따른 프리즘 형태의 예를 나타낸다.

다음 프레임인 제2 프레임에서는 <Frame 2>와 같이 전계를 변경하여 화소들의 액정 분자 배열을 바꾼다. 화소 배열 아래에 도시한 그래프에서와 같이, 프리즘 형태가 우측으로 2화소만큼 이동한 것과 같은 형태로 바뀐다. 단, 프리즘의 꺾인 각도는 그대로 유지되기 때문에, 제1 프레임에서 제2 프레임으로 바뀌더라도, 광경로 변환 셀(300)을 통한 빛의 진행 방향을 바뀌지 않는다. 만일, 제2 프레임에서 관람자의 위치가 바뀌어 빛의 진행 방향을 바꾸어야 한다면, 각 화소에 인가되는 전압의 크기를 바꾸어 프리즘의 각도를 변경하면 된다. 여기서는, 편의상 빛의 편향 각도를 바꾸는 경우에 대해서는 설명하지 않는다.

다음 프레임인 제3 프레임에서는 <Frame 3>과 같이 전계를 변경한다. 이때에는 절대값은 동일하지만 부호가 바뀌도록 전계 값을 바꾼다. 그 결과, 액정 분자의 배열 방향은 바뀌지 않는다. 하지만, 액정 분자가 받는 전계의 방향이 바뀌어서, 액정 분자에 가해지는 전계 스트레스는 다르게 작용할 수 있다. 즉, 액정 분자의 자세가 바뀌지도 않고, 전계의 절대값 크기도 바뀌지 않지만, 액정 분자가 받는 스트레스는 감소할 수 있다. 제3 프레임에서는 제2 프레임에서와 동일한 프리즘 패턴 및 배열 순서를 갖는다.

마지막으로 제4 프레임에서는 <Frame 4>와 같이 전계를 변경한다. 화소 배열 아래에 도시한 그래프에서와 같이, 프리즘 형태가 우측으로 2화소만큼 이동한 것과 같은 형태로 바뀐다. 제4 프레임에서 각 화소에 인가되는 전계의 절대값 크기는 제1 프레임의 전계의 절대값 크기와 동일하지만, 전계의 방향이 바뀐 상태이다.

이와 같이 4 프레임에 걸려 다른 전계를 인가함으로써, 편향 각도는 일정하게 유지하지만, 프리즘 패턴을 한쪽 방향으로 스캐닝함으로써, 각 화소 내의 액정 분자들이 수시로 변경되는 전계를 인가 받는 상황에 놓이도록 할 수 있다. 여기서 중요한 것은, 어느 한 화소에서 4 프레임 기간동안 인가되는 전계의 합이 제로(zero, '0')가 되어야 바람직하다. 즉, 평균적인 전계의 총합이, 제로-섬(zero-sum)이 되어야 액정 분자들이 전계에 의한 스트레스를 최소화할 수 있다.

하지만, 도 3을 상세히 관찰하면, 모든 화소들에서 4 프레임 기간 동안 인가되는 전계의 합이 0이 되는 것은 아니다. 예를 들어, 첫 번째 화소의 경우, 0, +V2, -V2, 0으로 바뀌므로, 4 프레임 기간 동안 인가되는 전계의 합은 0이 된다. 하지만, *표를 한, 세 번째 화소의 경우에는, +V2, 0, 0, +V2로 바뀌므로, 4 프레임 기간동안 인가되는 전계의 합은 +2V2가 된다. 즉, 0이 아니다. 마찬가지로, *표를 한 일곱 번째 화소의 경우에도 4 프레임 기간 동안 인가되는 전계의 합은 +2V2가 된다.

본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 대부분의 화소들에 인가되는 전계의 전체 프레임에 걸친 평균값을 0으로 설정할 수 있다. 하지만, 일부분의 화소에서는 0이 아닌 값을 여전히 유지하므로, 일부 액정 분자들이 열화될 수 있다. 이와 같이 특정 소수의 화소들이 집중적으로 열화될 경우 각 화소들 사이의 성능 차이는 더욱 더 두드러지게 나타날 수 있다.

이하, 본 발명의 제2 실시 예에서는, 도 4 및 5를 참조하여, 제1 실시 예와 달리 모든 액정 화소에 인가되는 전계의 전체 프레임에 걸친 총합(혹은 전체 평균 값)이 제로가 되도록 구동하는 광 편향장치의 일례에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치의 구동 방식을 나타내는 개략도이다. 도 5는 도 4에 의한 구동 방식에 의해, 박막 평판형 광 편향장치에 구현되는 프리즘 패턴의 형상 및 빛의 진행 방향을 나타내는 개략도이다.

제2 실시 예에 의한 박막형 광 편향장치는 HAN(Hybrid Aligned Nematic) 모드의 액정 물질을 적용한 광경로 변환 셀(300)을 사용한다. 제2 실시 예에 의한 박막형 광 편향장치는 표시장치가 작동하는 프레임 방식에 동기하여, 홀수 프레임과 짝수 프레임으로 나누어 작동한다.

예를 들어, 광경로 변환 셀(300)은 일곱 개의 연속된 화소들(P1 ~ P7)에 걸쳐서 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 도 4에서와 같이, 일곱 개의 연속된 화소들(P1 ~ P7)에 걸쳐서 액정 분자(LCM)의 배열이 0도 방향에서 180도 방향으로 순차적으로 바뀌도록 배열될 경우, 이들 연속된 일곱 개의 화소들(P1 ~ P7)은, 도 5에서와 같이 위상차가 0에서 2π까지 순차적으로 변화된 프리즘 패턴과 동일하게 작용할 수 있다.

홀수 프레임인 경우, 도 4에 도시한 <ODD Frame>과 같은 방식으로 전계를 인가할 수 있다. 도 4에서, 광경로 변환 셀(300)을 구성하는 각 화소(P1 ~ P7) 내에는 HAN 모드 액정 분자(LCM)가 놓여 있다. 액정 분자(LCM)에서 수직 선분(｜)으로 표시한 끝단에서 점(●)으로 표시한 끝단으로의 방향을 액정의 배열 방향이라고 할 때, 첫 번째 화소(P1)에서는 액정 분자(LCM)가 180도 방향으로 배열된다. 액정 분자(LCM) 내부에 도시한 화살표가 액정 분자의 배열 방향을 의미한다. 일곱 개의 연속하는 화소들(P1 ~ P7)의 액정 분자들(LCM)은 180도에서 0도까지 순차적인 배열 방향으로 배열되도록, 전압이 인가된다. 그 결과, 제1 화소(P1)에서 제7 화소(P7)에 이르기까지 액정 분자들(LCM)이 갖는 상대 위상 변조 값은 0에서 2π까지 순차적으로 변한다. 즉, 도 5의 <ODD Frame>에 도시한 것과 같이 상대 위상차이 그래프를 그릴 수 있다. 또한, 이 상대 위상차 그래프는 좌측 경사면을 갖는 프리즘 형상에 대응할 수 있다.

짝수 프레임인 경우, 도 4에 도시한 <EVEN Frame>과 같은 방식으로 전계를 인가할 수 있다. 도 4에서, 광경로 변환 셀(300)의 각 화소(P1 ~ P7) 내에는 HAN 모드 액정 분자(LCM)가 놓여 있다. 액정 분자(LCM)에서 수직 선분(｜)으로 표시한 끝단에서 점(●)으로 표시한 끝단으로의 방향을 액정의 배열 방향이라고 할 때, 첫 번째 화소(P1)에서는 액정 분자(LCM)가 0도 방향으로 배열된다. 일곱 개의 연속하는 화소들(P1 ~ P7)의 액정 분자들(LCM)은 0도에서 180도까지 순차적인 배열 방향으로 배열되도록, 전압이 인가된다. 그 결과, 제1 화소(P1)에서 제7 화소(P7)에 이르기까지 액정 분자들(LCM)이 갖는 상대 위상 변조 값은 2π에서 0까지 순차적으로 변한다. 즉, 도 5의 <EVEN Frame>에 도시한 것과 같이 상대 위상차이 그래프를 그릴 수 있다. 또한, 이 상대 위상차 그래프는 우측 경사면을 갖는 프리즘 형상에 대응할 수 있다.

이와 같이, HAN 모드 액정 물질을 사용한 광경로 변환 셀(300)에서, 홀수 프레임과 짝수 프레임에서 전계의 절대값은 동일하지만, 전계의 방향을 반대로 인가하여 매 프레임마다 액정 분자에 인가되는 스트레스를 계속 변화시킬 수 있다. 즉, 전체 프레임 기간 동안 전계의 총합(혹은, 평균 전계값)은 제로가 된다. 특히, 액정 패널의 모든 화소에서 평균 전계값을 제로로 만들 수 있다.

다만, 도 5에 도시한 바와 같이, 전계의 방향이 서로 반대인 홀수 프레임과 짝수 프레임에서 형성되는 프리즘 패턴의 형상이 서로 반대 방향으로 경사진 형상을 갖는다. 프리즘 패턴이 반대의 형상을 가지면, 이를 통과하는 빛의 굴절 방향이 90도 차이가 발생한다. 즉, 반대 방향으로 빛의 편향 방향이 바뀐다. 이를 방지하기 위해, 즉, 프레임이 바뀌더라도 편향 방향을 동일하게 유지하기 위해서는, 입사되는 빛의 편광 방향을 바꾸는 것이 필요하다.

예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 홀수 프레임에서는, 입사광(100)이 우원 편광 상태로 입사하면, 좌면 경사면을 갖는 프레임 프리즘 패턴에 의해 편향된 출사광(200)은 우측으로 θ만큼 편향된 좌원 편광 상태로 출사된다. 반면에, 짝수 프레임에서는, 입사광(100)이 좌원 편광 상태로 입사하면, 우면 경사면을 갖는 프레임 프리즘 패턴에 의해 편향된 출사광(200)은 우측으로 θ만큼 편향된 우원 편광 상태로 출사된다. 즉, 홀수 프레임에서 형성되는 프리즘 패턴과 짝수 프레임에서 형성되는 프리즘 패턴의 경사 방향이 90도 차이가 있지만, 입사광(100)의 편광 상태가 서로 반대이므로 굴절되어 진행하는 출사광의 방향은 동일하다.

따라서, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막형 광 편향장치는, HAN 모드 액정 분자를 구비한 광경로 변환 셀(300)과, 그 하부에 위치하여 프레임의 주기에 맞추어 입사광의 편광 상태를 바꾸어 주는 능동형 사반파장 지연판(Active Quarter Wave Plate)(AQP)을 구비하는 것이 바람직하다.

이상의 설명에서는 하나의 광경로 변환 셀(300)에 대해서만 설명하였다. 이를 표시장치에 응용하는 경우, 좌우 방향으로만, 혹은 상하 방향으로만 광경로를 변환할 수 있다. 좌우 및 상하 방향 모두에서 광경로를 변환하기 위해서는, 광경로 변환 셀(300)은 좌우 방향으로 광경로를 변환하는 제1 광경로 변환 셀과 상하 방향으로 광경로를 변환하는 제2 광경로 변환 셀을 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 광경로 변환셀은 세로 방향으로 형성된 제1 프리즘 패턴을 형성하고, 제2 광경로 변환셀은 제1 프리즘 패턴과 직교하는 방향인 가로 방향으로 형성된 제2 프리즘 패턴을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막형 광 편향장치를 이용한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치를 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막 평판형 광 편향장치를 응용한 무안경 방식의 입체 영상 표시장치의 일례를 나타내는 사시도이다. 앞에서 설명한 광경로 변환 셀(300) 두 개를 서로 직교하도록 조합한, 제1 광경로 변환 셀(300a)과 제2 광경로 변환 셀(300b)을 이용하여 시청자의 위치에 따라 영상을 전송할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 박막형 광 편향장치를 이용한 입체 영상 표시장치는, 백 라이트 유닛(BLU), 홀로그래피 입체 영상을 표현하는 표시 패널(100), 능동형 사반파장 지연판(AQP), 제1 광경로 변환 셀(300a) 및 제2 광경로 변환 셀(300b)들이 순차적으로 나열된 구조를 갖는다. 백 라이트 유닛(BLU)은 박막형 백 라이트 유닛인 것이 바람직하다. 표시 패널(100)은 액정 표시 패널로서, 홀로그램 패턴을 표시하여, 백 라이트 유닛(BLU)에서 출사한 빛이 홀로그램 패턴에 의해 입체 영상을 표시하는 것이 바람직하다.

따라서, 백 라이트 유닛(BLU)에서 출사하는 백 라이트는 무 편광 상태인 빛일 수 있다. 하지만, 표시 패널(100)에서 출사하는 빛은, 어느 한 방향으로 선 편광된 빛이다. 여기서는, 표시 패널(100)이 수직 방향으로 선 편광된 빛을 출광하는 경우로 설명한다. 예를 들어, 표시 패널(100)에서 홀수 프레임의 영상을 표시하면, 수직 방향으로 선 편광된 빛이 출광된다.

홀수 프레임 기간동안, 능동형 사반파장 지연판(AQP)은 45도 방향의 편광 상태를 갖도록 조절된다. 그 결과, 수직 방향으로 선 편광된 빛은 능동형 사반파장 지연판(AQP)을 통과하면서 우원 편광될 수 있다. 그리고, 우원 편광된 빛은 제1 광경로 변환 셀(300a)에 의해 좌우 방향으로 편향된다. 즉, 도 6의 좌표계에서 X축 상에서 꺾인 각도(θ)로 굴절되어 진행한다. 특히, 제1 광경로 변환 셀(300a)은 양의 전위차를 이용하여 액정을 구동함으로써, 좌면 경사면을 갖는 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 이때, 제1 광경로 변환 셀(300a) 역시 액정 표시 패널의 일종으로 구성상 반파장 지연 기능을 갖기 때문에, 제1 광경로 변환 셀(300a)를 통과한 빛은 좌원 편광된 상태가 된다. 좌원 편광된 빛은 제2 광경로 변환 셀(300b)에 의해 상하 방향으로 편향된다. 즉, 도 6의 좌표계에서 Y축 상에서 꺾인 각도(φ)로 굴절되어 진행한다. 즉, Z 방향으로 진행하는 입체 영상 정보를 갖는 빛은 X축과 Y축 상에서 원하는 위치로 편향되어 나아간다. 특히, 제2 광경로 변환셀(300b)은 음의 전위차를 이용하여 액정을 구동함으로써, 상면 경사면을 갖는 프리즘 패턴을 형성할 수 있다.

짝수 프레임 기간동안, 능동형 사반파장 지연판(AQP)은 135도 방향의 편광 상태를 갖도록 조절된다. 그 결과, 수직 방향으로 선 편광된 빛은 능동형 사반파장 지연판(AQP)을 통과하면 좌원 편광될 수 있다. 그리고, 좌원 편광된 빛은 제1 광경로 변환 셀(300a)에 의해 좌우 방향으로 편향된다. 즉, 도 6의 좌표계에서 X축 상에서 꺾인 각도(θ)로 굴절되어 진행한다. 특히, 제1 광경로 변환 셀(300a)은, 홀수 프레임에서 인가되는 전압의 절대값은 동일하고 부호만 바뀐, 음의 전위차를 이용하여 액정을 구동함으로써, 우면 경사면을 갖는 프리즘 패턴을 형성할 수 있다. 이때, 제1 광경로 변환 셀(300a)은 반파장 지연 기능을 갖기 때문에, 제1 광경로 변환 셀(300a)를 통과한 빛은 우원 편광된 상태가 된다. 우원 편광된 빛은 제2 광경로 변환 셀(300b)에 의해 상하 방향으로 편향된다. 즉, 도 6의 좌표계에서 Y축 상에서 꺾인 각도(φ)로 굴절되어 진행한다. 즉, Z 방향으로 진행하는 입체 영상 정보를 갖는 빛은 X축과 Y축 상에서 원하는 위치로 편향되어 나아간다. 특히, 제2 광경로 변환셀(300b)은, 홀수 프레임에서 인가되는 전압의 절대값은 동일하고 부호만 바뀐, 양의 전위차를 이용하여 액정을 구동함으로써, 하면 경사면을 갖는 프리즘 패턴을 형성할 수 있다.

이와 같이, 홀수 프레임일 때는 우원 편광된 빛을 좌면 경사진 프리즘 패턴을 이용하여 편향하고, 짝수 프레임일 때는 좌원 편광된 빛을 우면 경사진 프리즘 패턴을 이용하여 편향함으로써, 홀수 프레임에서 출사한 빛과 짝수 프레임에서 출사한 빛 모두 동일한 위치로 공급할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10: 컴퓨터 20: SLM(공간 광 변조기)
30: 레이저 광원 40: 확장기
50: 렌즈 80: 출력 영상
90: 참조광
100: 홀로그램 표시패널 300: 광경로 변환셀
300a: 제1 광경로 변환셀 300b: 제2 광경로 변환셀
500: 표시패널 구동부 600: 광경로 변환셀 구동부
800: 제어부 900: 감지 카메라
AQP: 능동형 사반파장 지연판 BLU: 백 라이트 유닛

Claims (8)

1. 선편광 빛을 제1 원편광 및 제2 원편광 중 어느 한 편광 상태로 바꾸는 능동형 사반파장 지연판; 그리고
   제1 프리즘 패턴 및 제2 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환 셀을 포함하고,
   제3 프리즘 패턴 및 제4 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환 셀을 포함하며,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하고;
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하며,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제3 프리즘 패턴을 형성하고,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제4 프리즘 패턴을 형성하며,
   상기 제1, 제2 광경로 변환 셀에 매 프레임마다 서로 다른 전압을 인가하여 전체 평균 전압 값이 항상 제로가 유지되도록 하며,
   상기 제1 광경로 변환 셀은 HAN 모드 액정 분자를 포함하며,
   상기 제1 프리즘 패턴을 형성하는 전압은, 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하는 전압과 절대값은 동일하되, 부호가 반대인 것을 특징으로 하는 박막형 광 편향장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 원편광은 좌원 편광이고, 상기 제2 원편광은 우원 편광이며, 상기 제1 프리즘 패턴은 상기 좌원 편광된 빛을 굴절 각도 θ만큼 수평 방향으로 편향하고;
   상기 제2 프리즘 패턴은 상기 우원 편광된 빛을 상기 굴절 각도 θ만큼 상기 수평 방향으로 편향하는 것을 특징으로 하는 박막형 광 편향장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 원편광은 좌원 편광이고, 상기 제2 원편광은 우원 편광이며, 상기 제3 프리즘 패턴은 상기 좌원 편광된 빛을 굴절 각도 φ만큼 수직 방향으로 편향하고;
   상기 제2 프리즘 패턴은 상기 우원 편광된 빛을 상기 굴절 각도 φ만큼 상기 수직 방향으로 편향하는 것을 특징으로 하는 박막형 광 편향장치.
   
8. 선편광 빛을 제1 원편광 및 제2 원편광 중 어느 한 편광 상태로 바꾸는 능동형 사반파장 지연판; 그리고
   제1 프리즘 패턴 및 제2 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제1 광경로 변환 셀을 포함하고,
   제3 프리즘 패턴 및 제4 프리즘 패턴 중 어느 한 패턴을 형성하는 제2 광경로 변환 셀을 포함하며,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제1 프리즘 패턴을 형성하고;
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제1 광경로 변환 셀은 상기 제2 프리즘 패턴을 형성하며,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제1 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제3 프리즘 패턴을 형성하고,
   상기 능동형 사반파장 지연판이 상기 선편광 빛을 상기 제2 원편광 상태로 바꾸는 기간동안, 상기 제2 광경로 변환 셀은 상기 제4 프리즘 패턴을 형성하며,
   상기 제1, 제2 광경로 변환 셀에 매 프레임마다 서로 다른 전압을 인가하여 전체 평균 전압 값이 항상 제로가 유지되도록 하며,
   상기 제2 광경로 변환 셀은 HAN 모드 액정 분자를 포함하며,
   상기 제3 프리즘 패턴을 형성하는 전압은, 상기 제4 프리즘 패턴을 형성하는 전압과 절대값은 동일하되, 부호가 반대인 것을 특징으로 하는 박막형 광 편향장치.

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